linux 系统编程复习07-信号

1 复习目标

了解信号中的基本概念
熟练使用信号相关的函数
参考文档使用信号集操作相关函数
熟练使用信号捕捉函数signal
熟练使用信号捕捉函数sigaction
熟练掌握使用信号完成子进程的回收

信号介绍

信号的概念

信号是信息的载体，Linux/UNIX 环境下，古老、经典的通信方式，现下依然是主要的通信手段。

信号在我们的生活中随处可见，例如：

古代战争中摔杯为号；
现代战争中的信号弹；
体育比赛中使用的信号枪......

信号的特点

简单
不能携带大量信息
满足某个特点条件才会产生

2 信号的机制

进程A给进程B发送信号，进程B收到信号之前执行自己的代码，收到信号后，不管执行到程序的什么位置，都要暂停运行，去处理信号，处理完毕后再继续执行。与硬件中断类似——异步模式。但信号是软件层面上实现的中断，早期常被称为“软中断”。

每个进程收到的所有信号，都是由内核负责发送的。

进程A给进程B发送信号示意图：

2.1 信号的状态

信号有三种状态：产生、未决和递达。

信号的产生

按键产生，如：Ctrl+c、Ctrl+z、Ctrl+\
系统调用产生，如：kill、raise、abort
软件条件产生，如：定时器alarm
硬件异常产生，如：非法访问内存(段错误)、除0(浮点数例外)、内存对齐出错(总线错误)

命令产生，如：kill命令

未决：产生和递达之间的状态。主要由于阻塞(屏蔽)导致该状态。
递达：递送并且到达进程。

2.2 信号的处理方式

执行默认动作
忽略信号(丢弃不处理)
捕捉信号(调用用户的自定义的处理函数)

2.3 信号的特质

信号的实现手段导致信号有很强的延时性，但对于用户来说，时间非常短，不易察觉。

Linux内核的进程控制块PCB是一个结构体，task_struct, 除了包含进程id，状态，工作目录，用户id，组id，文件描述符表，还包含了信号相关的信息，主要指阻塞信号集和未决信号集。

注:表示PCB的task_struct结构体定义在：

/usr/src/linux-headers-4.4.0-97/include/linux/sched.h:1390

2.4 阻塞信号集和未决信号集

Linux内核的进程控制块PCB是一个结构体，这个结构体里面包含了信号相关的信息，主要有阻塞信号集和未决信号集。

阻塞信号集中保存的都是被当前进程阻塞的信号。若当前进程收到的是阻塞信号集中的某些信号，这些信号需要暂时被阻塞，不予处理。
信号产生后由于某些原因(主要是阻塞)不能抵达，这类信号的集合称之为未决信号集。在屏蔽解除前，信号一直处于未决状态；若是信号从阻塞信号集中解除阻塞，则该信号会被处理，并从未决信号集中去除。

2.5 信号的四要素

通过man 7 signal可以查看信号相关信息

1 信号的编号

使用kill -l命令可以查看当前系统有哪些信号，不存在编号为0的信号。其中1-31号信号称之为常规信号（也叫普通信号或标准信号），34-64称之为实时信号，驱动编程与硬件相关。

2 信号的名称

3 产生信号的事件

4信号的默认处理动作

Term：终止进程
Ign：忽略信号 (默认即时对该种信号忽略操作)
Core：终止进程，生成Core文件。(查验死亡原因，用于gdb调试)
Stop：停止（暂停）进程
Cont：继续运行进程

特别需要注意的是：The signals SIGKILL and SIGSTOP cannot be caught, blocked, or ignored.
几个常用到的信号

SIGINT、SIGQUIT、SIGKILL、SIGSEGV、SIGUSR1、SIGUSR2、SIGPIPE、SIGALRM、SIGTERM、SIGCHLD、SIGSTOP、SIGCONT

3 信号相关函数

3.1 signal函数

函数作用：注册信号捕捉函数
函数原型

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

函数参数

signum：信号编号
handler：信号处理函数

3.2 kill函数/命令

描述：给指定进程发送指定信号
kill命令：kill -SIGKILL 进程PID
kill函数原型：int kill(pid_t pid, int sig);
函数返回值：

成功：0；
失败：-1，设置errno

函数参数：

sig信号参数：不推荐直接使用数字，应使用宏名，因为不同操作系统信号编号可能不同，但名称一致。
pid参数：

pid > 0: 发送信号给指定的进程。
pid = 0: 发送信号给与调用kill函数进程属于同一进程组的所有进程。
pid < -1: 取|pid|发给对应进程组。
pid = -1：发送给进程有权限发送的系统中所有进程。

进程组：每个进程都属于一个进程组，进程组是一个或多个进程集合，他们相互关联，共同完成一个实体任务，每个进程组都有一个进程组长，默认进程组ID与进程组长ID相同。

3.3 abort函数raise函数

raise函数

函说描述：给当前进程发送指定信号(自己给自己发)
函数原型：int raise(int sig);
函数返回值：成功：0，失败非0值
函数拓展：raise(signo) == kill(getpid(), signo);

abort函数

函数描述：给自己发送异常终止信号 6) SIGABRT，并产生core文件
函数原型：void abort(void);
函数拓展：abort() == kill(getpid(), SIGABRT);

3.4 alarm函数

函数原型：unsigned int alarm(unsigned int seconds);
函数描述：设置定时器(闹钟)。在指定seconds后，内核会给当前进程发送14）SIGALRM信号。进程收到该信号，默认动作终止。每个进程都有且只有唯一的一个定时器。
函数返回值：返回0或剩余的秒数，无失败。例如：

常用操作：取消定时器alarm(0)，返回旧闹钟余下秒数。

alarm使用的是自然定时法，与进程状态无关，就绪、运行、挂起(阻塞、暂停)、终止、僵尸...无论进程处于何种状态，alarm都计时。

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练习题1：编写一个程序测试alarm函数

//signal函数测试---注册信号处理函数
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

//信号处理函数
void sighandler(int signo)
{
	printf("signo==[%d]\n", signo);
}

int main()
{
	//注册信号处理函数
	signal(SIGINT, sighandler);
	signal(SIGALRM, sighandler);

	int n = alarm(5);
	printf("first: n==[%d]\n", n);

	sleep(2);
	n = alarm(5);
	//n = alarm(0); //取消时钟
	printf("second: n==[%d]\n", n);

	while(1)
	{
		sleep(10);
	}

	return 0;
}

练习题2：编写程序，测试你的电脑1秒种能数多个数字。

#include<iostream>
#include<vector>
#include<unistd.h>
#include<algorithm>
using namespace std;








int main()
{

 alarm(1);
 int i=0;

 while(1){
    printf("[%d]",i++);
 }



return 0;
}

使用time命令查看程序执行的时间。程序运行的瓶颈在于IO，优化程序，首选优化IO。
实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 损耗时间

损耗的时间主要来来自文件IO操作，IO操作会有用户区到内核区的切换，切换的次数越多越耗时。

3.5 setitimer函数

函数原型

int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value,

struct itimerval *old_value);

函数描述

设置定时器(闹钟)，可代替alarm函数，精度微秒us，可以实现周期定时。

函数返回值

成功：0；
失败：-1，设置errno值

函数参数：

which：指定定时方式

自然定时：ITIMER_REAL → 14）SIGALRM计算自然时间
虚拟空间计时(用户空间)：ITIMER_VIRTUAL → 26）SIGVTALRM 只计算进程占用cpu的时间
运行时计时(用户+内核)：ITIMER_PROF → 27）SIGPROF计算占用cpu及执行系统调用的时间

new_value：struct itimerval, 负责设定timeout时间。

itimerval.it_value: 设定第一次执行function所延迟的秒数 itimerval.it_interval: 设定以后每几秒执行function

struct itimerval {

struct timerval it_interval; // 闹钟触发周期

struct timerval it_value; // 闹钟触发时间

};

struct timeval {

long tv_sec; // 秒

long tv_usec; // 微秒

}

old_value：存放旧的timeout值，一般指定为NULL

练习: 使用setitimer实现每隔一秒打印一次hello, world。

4 信号集相关

4.1 未决信号集和阻塞信号集的关系

阻塞信号集是当前进程要阻塞的信号的集合，未决信号集是当前进程中还处于未决状态的信号的集合，这两个集合存储在内核的PCB中。

下面以SIGINT为例说明信号未决信号集和阻塞信号集的关系：

当进程收到一个SIGINT信号（信号编号为2），首先这个信号会保存在未决信号集合中，此时对应的2号编号的这个位置上置为1，表示处于未决状态；在这个信号需要被处理之前首先要在阻塞信号集中的编号为2的位置上去检查该值是否为1：

- - 如果为1，表示SIGNIT信号被当前进程阻塞了，这个信号暂时不被处理，所以未决信号集上该位置上的值保持为1，表示该信号处于未决状态；
  - 如果为0，表示SIGINT信号没有被当前进程阻塞，这个信号需要被处理，内核会对SIGINT信号进行处理（执行默认动作，忽略或者执行用户自定义的信号处理函数），并将未决信号集中编号为2的位置上将1变为0，表示该信号已经处理了，这个时间非常短暂，用户感知不到。

当SIGINT信号从阻塞信号集中解除阻塞之后，该信号就会被处理。

4.2 信号集相关函数

由于信号集属于内核的一块区域，用户不能直接操作内核空间，为此，内核提供了一些信号集相关的接口函数，使用这些函数用户就可以完成对信号集的相关操作。

信号集是一个能表示多个信号的数据类型，sigset_t set，set即一个信号集。既然是一个集合，就需要对集进行添加、删除等操作。

sigset_t类型的定义在signal.h文件中的第49行处:

typedef __sigset_t sigset_t;

__sigset_t的定义在sigset.h文件中的26，27行处:

# define _SIGSET_NWORDS (1024 / (8 * sizeof (unsigned long int)))

typedef struct

{

unsigned long int __val[_SIGSET_NWORDS];

} __sigset_t;

上述变量类型的定义的查找有个小窍门：可以执行gcc的预处理命令：

gcc -E test.c -o test.i 这样头文件就会展开，可以直接到test.i文件中看到相关变量类型的定义。

信号集相关函数

int sigemptyset(sigset_t *set);

函数说明：将某个信号集清0

函数返回值：成功：0；失败：-1，设置errno

int sigfillset(sigset_t *set);

函数说明：将某个信号集置1

函数返回值：成功：0；失败：-1，设置errno

int sigaddset(sigset_t *set, int signum);

函数说明：将某个信号加入信号集合中

函数返回值：成功：0；失败：-1，设置errno

int sigdelset(sigset_t *set, int signum);

函数说明：将某信号从信号清出信号集

函数返回值：成功：0；失败：-1，设置errno

int sigismember(const sigset_t *set, int signum);

函数说明：判断某个信号是否在信号集中

函数返回值：在：1；不在：0；出错：-1，设置errno

sigprocmask函数

函数说明：用来屏蔽信号、解除屏蔽也使用该函数。其本质，读

取或修改进程控制块中的信号屏蔽字（阻塞信号集）。

特别注意，屏蔽信号只是将信号处理延后执行(延至解除屏蔽)；而忽略表示将信号丢弃处理。

函数原型：int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
函数返回值：成功：0；失败：-1，设置errno
函数参数：

how参数取值：假设当前的信号屏蔽字为mask

SIG_BLOCK: 当how设置为此值，set表示需要屏蔽的信号。相当于 mask = mask|set
SIG_UNBLOCK: 当how设置为此，set表示需要解除屏蔽的信号。相当于 mask = mask & ~set
SIG_SETMASK: 当how设置为此，set表示用于替代原始屏蔽及的新屏蔽集。相当于mask = set若，调用sigprocmask解除了对当前若干个信号的阻塞，则在sigprocmask返回前，至少将其中一个信号递达。
1. 1. 1. set：传入参数，是一个自定义信号集合。由参数how来指示如何修改当前信号屏蔽字。
    2. oldset：传出参数，保存旧的信号屏蔽字。

sigpending函数

函数原型：int sigpending(sigset_t *set);
函数说明：读取当前进程的未决信号集
函数参数：set传出参数
函数返回值：成功：0；失败：-1，设置errno

练习：编写程序，设置阻塞信号集并把所有常规信号的未决状态打印至屏幕。

5 信号捕捉函数

signal函数
sigaction函数
- 函数说明：

注册一个信号处理函数

- 函数原型：

int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

- 函数参数：
  1. signum：捕捉的信号
  2. act：传入参数，新的处理方式。
  3. oldact：传出参数，旧的处理方式

struct sigaction {

void (*sa_handler)(int); // 信号处理函数

void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //信号处理函数

sigset_t sa_mask; //信号处理函数执行期间需要阻塞的信号

int sa_flags; //通常为0，表示使用默认标识

void (*sa_restorer)(void);

};

总结：
- sa_handler：指定信号捕捉后的处理函数名(即注册函数)。也可赋值为SIG_IGN表忽略或 SIG_DFL表执行默认动作
- sa_mask: 用来指定在信号处理函数执行期间需要被屏蔽的信号，特别是当某个信号被处理时，它自身会被自动放入进程的信号掩码，因此在信号处理函数执行期间这个信号不会再度发生。注意：仅在处理函数被调用期间屏蔽生效，是临时性设置。
- sa_flags：通常设置为0，使用默认属性。
- sa_restorer：已不再使用

练习：编写程序，使用sigaction函数注册信号捕捉函数，并使用这个程序验证信号是否支持排队。
知识点: 信号处理不支持排队: